Шпаргалки по анализу биосигналов, страница 2

Тот факт, что произвольный сигнал s(t) можно записать в виде следующей суммы четной и нечетной функций делает высказанное замечание особенно справедливым:

(1.2)

1.Электрокардиография. основны метода и структура ЭКГ-сигналов.

Среди функциональных методов исследования наиболее распространен­ным является электрокардиография. Применяемая аппаратура обычно позволяет получать ЭКГ-сигналы в 12 различных отведениях - трех двухполюсных (три стандартных отведения) и девяти однополюсных (три однополюсных усиленных отведения от конечностей и шесть однополюсных грудных отведений по Вильсону).

В традиционной электрокардиографии считаются информативными частоты ЭКГ-сигналов до 80...100 Гц, а нижняя частота определяется в основном вариабельностью кардиоритмических процессов и находится в области 0.3 Гц. Для уменьшения искажений формы ЭКС полосу пропускания ЭКГ расширяют до 0,1-110 Гц (см. требования к характеристикам усилителей биопотенциалов сердца: ГОСТ19687-89 "Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца. Общие требования и методы испытаний").

Существует так называемая ЭКГ ВР - электрокардиография высокого разрешения, в которой принимают верхнюю границу информативных частот ЭКС более 500 Гц. Еще один метод исследования - векторэлектрокардиография (ВКГ) представляет электрическую активность сердца в виде вращающегося в пространстве вектора с началом в геометрическом центре сердца.

В последние годы появились многочисленные разработки мониторов для длительного (суточного) наблюдения электрической активности сердца - т.н. холтеровские мониторы.

Полезная информация на русском языке по проблемам электрокардиографии, суточному мониторированию, оценке вариабельности ритма сердца доступна на www.ecg.ru.

Суточные мониторы ЭКГ обычно регистрируют ЭКГ сигналы в полосе частот всего лишь до 40 Гц в двух отведениях, что связано с необходимостью хранения огромного объема данных в условиях носимого монитора при автономном питании запоминающего устройства. Задачи эффективного сжатия данных требуют серьезных вычислительных ресурсов, в т.ч. быстродействия. Известно, что для современных КМОП-технологий энергопотребление растет пропорционально тактовой частоте. Это пока сдерживает применение сложных алгоритмов сжатия данных "на лету" т.е. в реальном времени, а суточные записи ЭКГ имеют в результате объем 20-40 Мбайт и более.

Рис. 1.7. Фрагмент записи ЭКГ

Рис. 1.8 Вид ЭКГ в фазовом пространстве.

Выполненные автором исследования позволяют получать сжатие без потерь объема одноканальных 12-ти разрядных записей ЭКГ с частотой дискретизации 400 Гц в среднем в 3.5 раза.

Кратко рассмотрим структуру ЭКГ-сигналов.

Возбуждение миокарда начи­на­ется с предсердий, и на ЭКГ появляется зубец P.
В норме он небольшой, его амплитуда 0.1...0.2 мВ, продолжительность 0.08...0.20 с. Расстояние от зубца P до зубца Q (интервал P-Q)
соответствует времени распространения
возбуждения от предсердий к желудочкам и обычно составляет 0.12...0.20 с. Во время возбуждения желудочков проявляется комплекс QRS, причем его амплитуда различна в разных отведениях. Продолжительность QRS-комплекса 0.06...0.10 с.

Интервал от зубца S до зубца T (сегмент S-T) в норме располагается на одном уровне с интервалом P-Q, его смещение не превышает 0.1 мВ. При угасании возбуждения в желудочках записывается зубец T. Интервал от начала зубца Q до конца зубца T отражает процесс возбуждения желудочков, его длительность зависит от ЧСС. Иногда после зубца T регистрируется зубец U, происхождение которого не совсем ясно.

(Лит.: Квашнин С.Е. Автоматизированная обработка и распознавание зубцов и сегментов электрокардиосигналов: Метод. указания к лаб.работе по курсу "Анализ и преобразование биологических сигналов"- М.: Изд-во МГТУ, 1993, 20с.)

Амплитудные показатели ЭКС определяются обычно QRS-комплексом или R зубцом, и у
регистрируемых ЭКС не превышают 1..3 мВ.
В случаях имплантированного электрокардиостимулятора амплитуда импульса ЭКС способна превышать нормальный QRS-комплекс в 5-10 раз. Длительность импульса для большинства электрокардиостимуляторов находится в диапазоне 0,3-2 мс. Современные ИЭКС имеют средства программирования режимов стимуляции.

В техническом аспекте регистрация ЭКГ сопряжена с некоторыми проблемами, одной из которых является необходимость подавления синфазных электромагнитных наводок от питающей сети с частотой 50 Гц. Эта проблема существенно упрощается при регистрации ЭКС с двухполюсных отведений и дифферен­ци­альном усилении, и особо актуальна для однополюсных. Типичным является относительный уровень сетевых помех +20...+40 дБ для однополюсных отведений.

Проблема фильтрации помех заключается в попадании частоты сетевой помехи практически в середину информативного частотного диапазона ЭКС, и частотная фильтрация сигнала с целью уменьшения сетевой наводки приводит к "вырезанию" совместно с помехой доли "полезного" сигнала. В результате появляются дополнительные искажения амплитуды и формы самой "высокочастотной" структурной единицы ЭКС - QRS комплекса. Попытки экстраполировать спектральную плотность ЭКГ сигнала в окрестности помехи не приводят к устранению неопределенности из-за невозможности восстановления фазовой компоненты спектра сигнала.

Правильная и устойчивая регистрация ЭКС связана с качеством применяемых электродов и их контактом с биообъектом.

3. Реоплетизмография. Основы и методики импедансных исследований.

В задачах неинвазивной оценки параметров гемодинамики большое значение среди традиционных методов функциональной диагностики принадлежит импедансной реоплетизмографии. Сигналы РПГ отражают текущий уровень и изменения импеданса биологического объекта. Для измерения мгновенного значения импеданса через БО пропускают зондирующий ток высокой частоты и регистрируют падение напряжения на исследуемом участке БО. При этом наблюдаемые по биполярной или тетраполярной методике потенциалы оказываются амплитудно-модулированными изменениями импеданса системы Э-БО-Э.

Для ЗТ обычно используют гармоническую форму и частоты от нескольких десятков до
нескольких сотен кГц (30...300 кГц). В этом диапазоне частот для биологических тканей
токи проводимости много больше токов
смещения (последние определяются диэлектрическими свойствами биотканей). Типичным для РПГ является регистрация сигналов базового импеданса 20..100 Ом и его пульсовых изменений в 0.05..0.3 Ом.

Частотный спектр РПГ-сигналов находится в пределах 0.1..35 Гц (по крайней мере, полоса пропускания серийных преобразователей импеданса ограничена 32 Гц по уровню -3 дБ, например 2РГ, 4РГ-2М, РПГ2-02, 4РГ-2МЦ производства НПО "Экран", г.Москва, 80-90 гг.).

Рис. 1.9. Фрагмент записи реограммы

Из приведенных сведений уже видно, что пульсовые колебания импеданса составляют крайне малую (менее 0.5%) часть базового импеданса, что определяет повышенные требования к амплитудной стабильности задающего генератора зондирующего тока в потенциальной схеме регистрации РПГ, в которой нестабильность ЗТ прямо переходит в нестабильность регистрируемых сигналов. Иногда, с целью повышения стабильности ЗТ применяют амплитудное ограничение верхушки гармонического ЗТ, в результате чего ЗТ перестает быть монохроматичным и взаимодействует сложным образом с комплексным импедансом электрод-БО-электрод.

Более того, иногда используют негармонические ЗТ. Например (дисс. к.техн.н. Псахис М.Б.) применяют последовательность радиоимпульсов длительностью 0.2...1 мс с заполнением 30 кГц - с целью увеличения числа каналов регистрации и разделения их во времени, что предотвращает взаимовли­яние ЗТ разных каналов и межканальную интерференцию.

При негармонических ЗТ необходимым
условием обеспечения сравнимой с синусоидальным режимом зондирования точности реографических измерений является совмещение энергетического спектра ЗТ или полосы пропускания ВЧ тракта РА с диапазоном частот от нескольких десятков кГц до нескольких сотен кГц, в котором реактивная компонента импеданса системы Э-БО-Э много меньше его активной составляющей.

Высокий входной импеданс потенциальных цепей и токовых выходов реографической аппаратуры, а также взаим­ная удаленность спектров АМ-ВЧ импедансных сигналов и ЭКГ позволяет проводить одновременную регистрацию РПГ и ЭКГ с единых электродных систем.

В част­ности, в методике интегральной реографии по Тищенко возможно получение с реографической электродной системы ЭКС трех стандартных отведений.

На факультете «Биомедицинская техника» МГТУ им.Н.Э.Баумана в настоящее время активно продолжают развиваться современные биоимпедансные технологии в области методических, алгоритмических и схемотехнических исследований, в том числе:

- предложена математическая модель кабельной системы пациента и проведен анализ влияния емкостей кабеля на точность импедансных измерений;

- предложен новый способ синтеза трехуровневых зондирующих токов и метод синхронного детектирования со стробированием по пятой гармонике, обладающий повышенной помехоустойчивостью;

- создана компьютерная реокардиомониторная система РКМ и проведены ее клинические испытания на лабораторных животных и пациентах;

- разработана биотелеметрическая система носимых реокардиомониторов с беспроводной передачей данных по радиоканалу.

В зависимости от целей реографического исследования различают:

- реокардиография - центрального отдела;

- реовазография - конечностей;

- реоэнцефалографию (реография головного мозга);

- реопульманография - легких;

- реогепатография - печени;

- реонефрография - почек;

- реофлебография - венозный кровоток;

- реоофтальмография - глаза;

- полиреография - многоканальное комплексное обследование и др.

Структура реографических сигналов состоит как минимум из трех типов волн:

- 1-го порядка, обусловленных сердечной деятельностью, и отражающих в основном движение крови в артериях и артериолах;

- 2-го порядка, вызванных легочной вентиляцией или дыхательной активностью,
ведущая роль в формировании которых принадлежит венозному кровотоку;

- 3-го порядка, связанных с медленно изменяющимся тонусом сосудов.

Перекрытие спектров пульсовых и медленных волн делает частотную фильтрацию малоэффективной, и регистрация пульсовых волн как правило требует задержки обследуемым дыхания.

4. Электроэнцефалография. Состав, параметры и методы анализа ЭЭГ-сигналов.

Важное место среди неинвазивных методов функционального исследования занимает электроэнцефалография. ЭЭГ сигналы
регистрируются как результат электрической активности клеток коры головного мозга в
нескольких отведениях (каналах). Амплитуда наблюдаемых сигналов не превышает нескольких сотен микровольт. Низкие уровни сигналов выдвигают на передний план проблемы источников помех, минимизации шумов и ограничения полосы частот (фильтрации) как способа снижения амплитуды шумового напряжения.

Структура ЭЭГ, на первый взгляд, похожа на случайные флуктуации или шум, однако при помощи цифрового спектрального анализа позволяет в частотной области наблюдать и выделять закономерные особенности в распределении энергии по областям частот. Соответствующие им компоненты ЭЭГ-сигналов получили названия альфа - α, бета – β, дельта - δ и тета - θ ритмов; а наличие их или отсутствие (малая или ненормально повышенная амплитуда ритмов) позволяет диагностировать патологические состояния.

В состоянии покоя на ЭЭГ наблюдаются низкочастотные (8...13 Гц) высокоамплитудные волны, которые называют альфа-ритмом. При умственной деятельности электрическая активность клеток коры увеличивается, что приводит к снижению синхронизации и увеличению частоты, что соответствует бета-ритму (14...30 Гц).